基于機械手臂的葉菜有序收獲機械設(shè)計與實現(xiàn)

吳玉娟+++劉永華

摘要：為了實現(xiàn)對葉菜快速自動收獲，綜合運用嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)，選用Arduino IDE作為軟件設(shè)計開發(fā)平臺，研制開發(fā)了一種集采摘、自動收集等多種功能于一體的葉菜有序收獲裝置，它由控制模塊、采摘模塊、收集模塊等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對整棵葉菜的收割與采集，并且擺放有序，便于挑選整理，對于提高葉菜收獲生產(chǎn)效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：葉菜；有序收獲；收獲機械

中圖分類號： S225.92文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0353-03

[HJ1.3mm]

收稿日期：2016-10-14

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（14）2110]；江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程（編號：SXGC[2016]305）；江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院項目（編號：2013td06）。

作者簡介：吳玉娟（1981—），女，江蘇南京人，碩士，講師，主要從事機電綜合研究與開發(fā)。E-mail：623255445@qq.com。

中國是蔬菜生產(chǎn)大國，但蔬菜生產(chǎn)機械化水平卻相對落后，其中葉菜類蔬菜收獲機械裝備在我國幾乎還是空白，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，蔬菜機械化收獲技術(shù)在我國越來越受到重視。歐美等西方發(fā)達(dá)國家蔬菜種植以大面積農(nóng)田種植為主，開發(fā)應(yīng)用的蔬菜收獲機械主要是大中型機械設(shè)備，發(fā)達(dá)國家收獲機械的割臺較為單一，不適合我國多品種的葉菜形態(tài)，且單臺收獲機械重量重、面積大，容易造成對作物的壓踏，影響蔬菜作物的后續(xù)生長和收獲效率，直接引進(jìn)應(yīng)用價值不大。通過資料查詢，國內(nèi)尚無對整棵葉菜的收割與采集、擺放有序整理以及后期銷售成型的葉菜收獲機械；因此，研制開發(fā)一種基于機械手臂的葉菜有序收獲裝置，對于提高葉菜收采效率和降低蔬菜生產(chǎn)成本具有重要意義[1]。

1整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整機結(jié)構(gòu)

基于機械手臂的葉菜有序收獲裝置整機結(jié)構(gòu)主要包括收獲機械本體、抓取裝置、控制系統(tǒng)等3大部分組成。其中機械本體通過專用控制器與抓取裝置、切割裝置、傳送裝置、裝箱裝置以及顯示裝置相連接。機械本體的前端上方安裝有抓取裝置，前端下方安裝有切割裝置，中部上方安裝有傳送裝置，傳輸裝置末端下方設(shè)有裝箱裝置，裝箱裝置安裝在收獲機械本體上，收獲機械本體結(jié)構(gòu)見圖1[2-3]。

1.2工作原理

通過收獲機械本體前端的傳感器檢測前方是否有葉菜，并將檢測信號傳至控制器，如果無葉菜，控制器將停止機械手抓取和切割裝置切割等動作，并將此信號反饋給顯示裝置顯示；如果前方有葉菜，控制器驅(qū)動機械手臂到設(shè)置的位置，控制機械手抓取葉菜，控制器控制機械手臂向后翻轉(zhuǎn)至傳送帶上方，并使葉菜莖稈與傳送帶運動方向垂直，同時松開機械

手[CM（25]，葉菜水平落在傳送裝置上，然后控制器控制機械手臂復(fù)[CM）]

[FK（W14][TPWYJ1.tif]

位。當(dāng)傳送帶翻轉(zhuǎn)至背面時，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里。菜籃通過下方齒輪齒條傳動，進(jìn)行前后移動（移動方向與傳送帶移動方向同軸），可實現(xiàn)葉菜的有序裝載。

1.3性能特點

（1）機械手夾持葉菜位置可進(jìn)行調(diào)整，可達(dá)到機械手最佳夾持葉菜位置。（2）切割裝置位置可上下調(diào)整，根據(jù)觸摸屏所輸入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)切割裝置自動調(diào)整上下位置，實現(xiàn)最佳切割位置。（3）當(dāng)切割完成，機械手夾持葉菜翻轉(zhuǎn)至傳送帶上，使莖稈與傳送帶運動方向垂直，實現(xiàn)蔬菜采摘有序傳送擺放。（4）當(dāng)傳送帶翻轉(zhuǎn)至背面時，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里。（5）菜籃通過下方齒輪齒條傳動，進(jìn)行前后移動（移動方向與傳送帶移動方向同軸），可實現(xiàn)葉菜的有序裝載。（6）用戶還可通過觸摸屏的用戶界面，輸入機械手抓取葉菜初始位置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)抓取葉菜最佳位置。（7）觸摸屏設(shè)計界面友好，收獲機械全程狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)實時顯示，并自動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)不同品種、不同長勢葉菜類蔬菜有序收獲。

基于機械手臂的葉菜有序收獲機械裝置，將滿足廣大蔬菜種植戶提高收獲勞動效率的迫切需要，對于解決蔬菜收獲難題具有重要意義。

[BT1#]2葉菜有序收獲裝置工作流程設(shè)計

根據(jù)葉菜通過顯示裝置調(diào)整機械手臂抓取位置、切割裝置的切割位置、平板速度、傳送帶速度、菜籃重量等參數(shù)，也可選擇控制器保存的歷史參數(shù)。

通過收獲機械本體前端的光電傳感器檢測前方是否有葉菜，并將檢測信號傳至控制器，如果無葉菜，控制器將停止機械手抓取和切割裝置切割等動作，并將此信號反饋給顯示裝置顯示；如果前方有葉菜，控制器驅(qū)動機械手臂到設(shè)置的位置，控制機械手抓取葉菜；當(dāng)未檢測到葉菜持續(xù)時間超過 10 min 后，控制器自動停機斷電。

控制器控制機械手臂向后翻轉(zhuǎn)至傳送帶上方，并使葉菜莖稈與傳送帶運動方向垂直，同時松開機械手，葉菜水平落在傳送裝置上，然后控制器控制機械手臂復(fù)位。

通過傳送帶將葉菜傳送到菜籃中，菜籃反復(fù)由前向后和由后向前移動，即菜籃由前向后移動，當(dāng)移動到達(dá)后限位時，再由后向前移動，當(dāng)移動受到達(dá)到前限位時，再由前向后移動，如此反復(fù)，直到菜籃質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)質(zhì)量，從而實現(xiàn)葉菜的有序擺放；在菜籃移動過程中，平板下方的質(zhì)量傳感器不斷將檢查到的質(zhì)量信號傳輸給控制器，控制器使顯示裝置顯示質(zhì)量信息，并判斷菜籃的質(zhì)量是否達(dá)到預(yù)設(shè)質(zhì)量值，如果達(dá)到發(fā)出信號通知用戶[4]。收獲機械工作流程見圖2。

3有序收獲機械控制模塊設(shè)計與實現(xiàn)

為了使有序收獲機械裝置能夠自動收獲不同尺寸的蔬菜類型，設(shè)計開發(fā)有序收獲機構(gòu)控制裝置傳感器控制模塊軟件，完成了控制模塊研發(fā)。

3.1控制模塊硬件設(shè)計

本裝置采用Arduino作為控制模塊的開發(fā)平臺，并對其進(jìn)行相應(yīng)的改造。PDA作為裝置的控制器及無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，需要內(nèi)嵌1個無線通信模塊，以實現(xiàn)與傳感器節(jié)點的無線組網(wǎng)（圖3）。我們對PDA硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以便能夠使用RS232串口與無線通信模塊進(jìn)行互聯(lián)互通。無線通信模塊接收傳感器節(jié)點集數(shù)據(jù)，然后自動傳輸至PDA處理，從而在PDA上顯示和存儲[5-6]。控制模塊硬件設(shè)計見圖4。

3.2控制模塊件設(shè)計

為了設(shè)計開發(fā)實用的有序收獲機械控制程序，選用了便捷[CM（25]靈活、方便上手的開源電子原型平臺Arduino作為軟件設(shè)[CM）]

[FK（W8][TPWYJ3.tif]

計的開發(fā)平臺，它能夠支持在Windows、Macintosh OSX、Linux等3大主流操作系統(tǒng)上運行。在控制模塊軟件系統(tǒng)的設(shè)計過程中，按照軟件工程化的設(shè)計理念，嚴(yán)格遵循需求分析、概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、系統(tǒng)測試的工程化設(shè)計理念，研制開發(fā)了控制模塊軟件系統(tǒng)。其中收獲葉菜傳感器模塊數(shù)據(jù)采集工作流程為傳感器上電之后初始化，然后打開定時器定時，時鐘溢出產(chǎn)生中斷，可以通過模擬開關(guān)ADG704依次選通相應(yīng)的通道進(jìn)[CM（25]行葉菜尺寸數(shù)據(jù)采集；AD采集包括初始化AD轉(zhuǎn)換器、啟[CM）]

[TPWYJ4.tif]

動AD轉(zhuǎn)換、判斷AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)，最后讀取AD轉(zhuǎn)換后數(shù)值。為了減小誤差，每個通道重復(fù)采集后取平均值，然后選通下一個通道，直到采集完所有通道的信號。當(dāng)所有通道信號都采集完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，即PDA。完成之后再次打開定時器定時，進(jìn)行下一輪測量、采集[7-8]。傳感器軟件設(shè)計流程見圖5。

[FK（W18][TPWYJ5.tif]

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)軟件系統(tǒng)對控制收獲機械臂偏移數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，運用Matlab仿真分析軟件對其結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，仿真分析結(jié)果見圖6。

[TPWYJ6.tif；S+3mm]

軟件系統(tǒng)的編程代碼如下：

pinMode（12，INPUT）；

Serial.begin（9600）；

myshow=0；

mycomflag=2；//機械臂默認(rèn)上電狀態(tài)為：2自動運行

myservoA.attach（3）；//控制腰部（A）的端口是3號

myservoB.attach（5）；//控制大臂（B）的端口是5號

myservoC.attach（6）；//控制小臂（C）的端口是6號

myservoD.attach（9）；//控制小臂旋轉(zhuǎn)（D）的端口是9號

myservoE.attach（10）；//控制腕部（E）的端口是10號

myservoF.attach（11）；//控制腕部旋轉(zhuǎn)（F）的端口是11號

myservoG.attach（8）；//kongzhidao pian——2

myservoA.write（10）；//初始5點鐘方向10-110

myservoB.write（10）；//越小越陡10-30

delay（1000）；

myservoC.write（130）；//

myservoD.write（90）；

myservoE.write（10）。

4結(jié)論

基于嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)，研制開發(fā)了一種集采摘、自動收集、包扎等多種功能于一體的葉菜有序收獲裝置。對完成的葉菜有序收獲裝置進(jìn)行初步試驗，獲得了以下結(jié)論：（1）機械手夾持葉菜位置要能夠滿足收獲不同尺寸葉菜需求進(jìn)行調(diào)整，并且必須能夠依托傳感器自動獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。（2）切割裝置位置要能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)上下自動調(diào)整，當(dāng)切割完成，機械手夾持葉菜翻轉(zhuǎn)至傳送帶上，使莖稈與傳送帶運動方向垂直，實現(xiàn)蔬菜采摘有序傳送擺放。（3）當(dāng)傳送帶翻轉(zhuǎn)至背面時，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里，否則不利于打包。

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